一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法

摘要

本公开揭示了一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法，包括：测量IGBT模块的集电极和发射极之间在施加不同正向偏置电压下的阻抗特性并记录阻抗特性曲线；对IGBT模块中的非线性部分进行建模获得非线性部分等效电路；对IGBT模块中的线性部分进行建模获得线性部分等效电路；将IGBT模块的非线性部分等效电路与线性部分等效电路进行整合，获得IGBT模块的宽频等效电路。

说明书

技术领域

本公开属于功率半导体器件和电力电子技术领域，具体涉及一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法。

背景技术

由IGBT与二极管并联构成的大功率IGBT模块被应用在柔性直流输电系统中。柔性直流输电系统运行时，换流阀要承受来自交直流系统的操作过电压、雷击过电压等。这些电压的上升沿陡峭且具有较宽的频带，能通过传导及电磁辐射的方式形成电磁骚扰。这将对换流站内的二次设备以及换流站附近的无线电台站等产生电磁影响，使得换流站内子模块的控制系统发生故障，导致换流站内环流增大，严重时甚至可能危及整个系统的运行。现阶段，对换流阀子模块内IGBT模块的仿真仅考虑到其开闭暂态过程以及开通后的稳态，忽略了IGBT模块处于阻断状态时的特性。

目前对IGBT模块的建模主要包括物理模型、数值模型、行为模型等。但这些模型仅能反映其在开通暂态、关断暂态、IGBT导通后以及二极管导通后的特性状态，不能反映IGBT模块处于阻断状态下的宽频特性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法，在现有的IGBT模块行为模型的基础上加入了其阻断状态下的宽频等效模型，从而能够更好地反映IGBT模块行为模型的宽频特性。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法，包括如下步骤：

S100：测量IGBT模块的集电极和发射极之间在施加不同正向偏置电压下的阻抗特性并记录阻抗特性曲线；

S200：对IGBT模块中的非线性部分进行建模获得非线性部分等效电路；

S300：对IGBT模块中的线性部分进行建模获得线性部分等效电路；

S400：将IGBT模块的非线性部分等效电路与线性部分等效电路进行整合，获得IGBT模块的宽频等效电路。

优选的，步骤S100中，所施加的正向偏置电压为15V-35V。

优选的，步骤S200包括如下步骤：

S201：对IGBT模块中的极间电容进行建模，获得极间电容的等效电容；

S202：对IGBT模块中的非线性电容进行建模，获得非线性电容的等效电容。

优选的，步骤S201中，所述极间电容的等效电容表达如下：

C

C

C

其中，C

优选的，步骤S202中，对IGBT模块中的非线性电容进行建模通过以下方式进行：以初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线为基准曲线，依次计算其余正向偏置电压所对应的阻抗特性曲线与基准曲线的相对相容，获得非线性电容的等效电容。

优选的，步骤S300包括如下步骤：

S301：通过矢量匹配对与初始偏置电压对应的基准阻抗特性曲线进行拟合，获得与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式；

S302：对所述与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式进行等效，获得IGBT模块的线性部分等效电路。

优选的，步骤S301中，所述与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式为：

F

其中，p

优选的，步骤S302中，所述与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式可等效为：

其中，Z(s)表示总的阻抗，S表示传递函数，L表示电感，R表示电阻，U(s)表示电压，I(s)表示电流，CR表示电容，GR表示电导，C

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：通过本方法建模获得IGBT宽频等效电路能够解决以往IGBT两端电磁暂态仿真不准确的问题，提高系统运行的可靠性。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法流程图；

图2是本公开另一个实施例提供的IGBT的等效电路图；

图3是本公开另一个实施例提供的IGBT处于截止状态时的电路等效示意图；

图4是本公开另一个实施例提供的15V-35V对应的阻抗特性曲线示意图；

图5(a)至图5(b)是本公开另一个实施例提供的15V偏置电压对应的阻抗曲线示意图；

图6(a)至图6(b)是本公开另一个实施例提供的去除IGBT极间电容的影响后的阻抗特性曲线图；

图7是本公开另一个实施例提供的不同偏置电压对应的等效电容示意图；

图8为本公开另一个实施例提供的IGBT线性部分的等效电路示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图8详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某咝词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，一种适用于大功率IGBT的宽频建模方法，包括如下步骤：

S100：测量IGBT模块的集电极和发射极之间在施加不同正向偏置电压下的阻抗特性并记录阻抗特性曲线；

S200：对IGBT模块中的非线性部分进行建模获得非线性部分等效电路；

S300：对IGBT模块中的线性部分进行建模获得线性部分等效电路；

S400：将IGBT模块的非线性部分等效电路与线性部分等效电路进行整合，获得IGBT模块的宽频等效电路。

本实施例中，通过本技术方案通过在原有的IGBT模块行为模型的基础上加入其阻断状态下的宽频等效模型，能够更好地反映IGBT行为模型的宽频特性，从而能够解决以往IGBT两端电磁暂态仿真不准确的问题，提高系统运行的可靠性。

另一个实施例中，步骤S100中，所施加的正向偏置电压为15V-35V。

本实施例中，在测量阻抗特性曲线的过程中考虑到IGBT模块是半导体，因此需要施加正向偏置电压。IGBT模块内部的极间电容在15V后比较稳定，如图4所示，因此选择15V作为偏置电压的初始值，取值间隔1V测量至35V(根据IGBT的数据手册中的内部电容与Uce的关系曲线，最高到35V)，得到共21组阻抗特性曲线，其中，图5(a)至图5(b)为偏置电压为15V时的测量曲线。

另一个实施例中，步骤S200包括如下步骤：

S201：对IGBT模块中的极间电容进行建模，获得极间电容的等效电容；

该步骤中，极间电容的等效电容可表示为：

其中，C

由于测量过程中没有驱动板的干扰，所以等效为C

在图2中，截止模型的R

测量IGBT模块C、E两端得到的阻抗特性设为Z∠θ，需要通过下式消除极间电容对阻抗特性曲线的影响即：

从而能够得到没有极间电容影响的阻抗特性曲线，如图6(a)至图6(b)所示。

S202：对IGBT模块中的非线性电容进行建模，获得非线性电容的等效电容。

该步骤中，以初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线为基准曲线，依次计算其余正向偏置电压所对应的阻抗特性曲线与基准曲线的相对相容，获得非线性电容的等效电容。由于所获得的与不同正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的趋势相同，因此将其余阻抗特性曲线与初始正向偏置电压对应的基准曲线的直接对应点相减会得到一组线性下降的曲线，通过该组曲线即可以表征非线性电容的非线性特性。

另一个实施例中，步骤S300包括如下步骤：

S301：通过矢量匹配对与初始偏置电压对应的基准阻抗特性曲线进行拟合，获得与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式；

该步骤中，采用矢量匹配法进行拟合的具体过程描述如下：

设对应曲线的阻抗有理函数表达为：

式中，极点p

在测量频率范围内选取幅频曲线的特征点，如转折点，取该点处的一对复数极点

函数σ(s)与F(s)相乘，得到：

由上式可得：

把利用阻抗分析仪测量得到的与频率相关的幅频和相频特性离散点带入上式(7)，整理得到一组线性方程组：

Ax＝b (8)

求解该方程组，可以得到未知量se、d、

经过上述步骤处理后，式(4)的N个极点均在左半平面。

假设式(4)中前M个极点为实数极点，后(N-M)个则为共轭复数极点，且互为共轭的两个极点相邻，则共有(N-M)/2对共轭复数的极点和留数，可表示为：

式(9)中：k＝M+1，M+2，…，(N-M)/2，p′

因此，式(4)可以分解为实数项和一次项、实数极点项以及共轭复数极点项三部分，如式(11)所示：

其中：

F

S302：对所述与初始正向偏置电压对应的阻抗特性曲线的有理表达式进行等效，获得IGBT模块的线性部分等效电路。

该步骤中，IGBT模块的线性部分等效电路如图8所示，具体可表示为：

且由IGBT模块的非线性部分等效电路与线性部分等效电路整合后获得的IGBT模块的宽频等效电路如图3所示。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而小是限制性的。本领域的普通技术人员在本公开启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。